一种基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统及变焦方法
【技术领域】
[0001] 本发明属于光学变焦领域，特别地，本发明涉及一种基于可编程正交密接柱透镜 的光学变焦系统及变焦方法。
【背景技术】
[0002] 随着科学技术的发展及生活水平的提高，人们对光学变焦系统的要求越来越高。 传统的机械式变焦系统是由几组焦距固定的透镜单元组合而成，通过机械地改变透镜单元 间的距离来改变系统的焦距，并且对透镜单元的移动要求非常严格，导致传统的机械式变 焦系统结构复杂、体积庞大、制作成本高以及适用范围狭窄等问题。由于机械式变焦系统受 到众多方面因素的限制，人们迫切地想要寻求一种主动变焦的方式来代替它。
[0003] 柱透镜作为最常用的一类透镜，近年来被广泛应用于激光束扫描、激光半导体光 场准直、宽银幕投影、全息光互连器件、眼睛光学仪器等领域。如附图1所示，由正交密接 柱透镜构成的光学系统克服了传统球透镜组成的光学系统不能实现各向异性操作的缺点， 从而增强了光路设置的灵活性。但这种正交密接柱透镜构成的光学系统为机械式变焦系 统，实用性依然受到很大的限制，从而使得采用空间光调制器进行数字变焦得到了广泛的 关注。空间光调制器是一种电子可编程的设备，可以实现对光波振幅、相位、频率等的调制。 通过将空间光调制器加入到光学系统中，可以缩小系统体积，减轻系统重量，降低成本，因 此具有广泛的应用前景。
【发明内容】
[0004] 为解决现有技术中存在的问题，本发明提出一种基于可编程正交密接柱透镜的光 学变焦系统及变焦方法，在空间光调制器上加载可编程正交密接柱透镜来替代机械式变焦 透镜组，利用计算机控制加载到空间光调制器上的可编程柱透镜的焦距来实现变焦，使得 变焦系统具有变焦速度快、易于实现、维护成本低等优点。
[0005] 本发明所采用的技术方案： 一种基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统如图2所示，包括空间光调制器、计 算机和图像传感器；所述的图像传感器设置在空间光调制器的右侧；其中空间光调制器通 过传输线与计算机相连，通过计算机控制加载可编程正交密接柱透镜到空间光调制器上进 行变焦。
[0006] 基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦方法，包括以下步骤： (1) 搭建基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统； (2) 入射光照射在空间光调制器上； (3) 在空间光调制器上加载一个可编程正交密接柱透镜，可编程正交密接柱透 镜由两个柱透镜构成，第一个柱透镜竖向放置，称为竖向柱透镜，第二个柱透镜横向 放置，称为横向柱透镜。根据柱透镜的单向相位调制性质，设定竖向柱透镜的焦距为 i，计算得到竖向柱透镜的相位调制横向柱透镜的焦距为计算得到横 向柱透镜的相位调制为M歡其中#是入射光的波长，dPj为笛卡尔坐标。则可编 程正交密接柱透镜的相伴相位调制，
#可编程正交密接柱透镜的 相位调制编制成相位全息图并加载在空间光调制器上； (4) 通过计算机改变加载到空间光调制器上的可编程正交密接柱透镜的全息图，改变 可编程正交密接柱透镜的焦距，从而实现数字变焦功能； (5) 调制后的物光照射到图像传感器上，对获得的图像进行采集。
[0007] 优选地，空间光调制器为透射式型空间光调制器。
[0008] 优选地，图像传感器为(XD图像传感器。
[0009] 优选地，步骤（3)中的笛卡尔坐标x、j均从可编程柱透镜中心开始测量。
[0010] 优选地，步骤（3)中相位清计算时取模操作。
[0011] 优选地，步骤（3)中可编程正交密接柱透镜中的竖向柱透镜和横向柱透镜的焦距 爲和/^，当/丨=/丨时，可编程正交密接柱透镜的焦距/丨::::/j;当/丨滅/丨时，可编程正 交密接柱透镜分别单独对光进行方向x和/方向的相位调制，实现对物光的各向异性操作。
【附图说明】
[0012] 附图1为正交密接柱透镜构成的传统光学变焦系统示意图。
[0013] 附图2为本发明提出的基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统的结构示意 图。
[0014] 附图3为本发明的焦距为50⑶的可编程正交密接柱透镜的相位全息图。
[0015] 附图4为本发明的焦距为35c?的竖向柱透镜与焦距为50c?的横向柱透镜组合成 的可编程正交密接柱透镜的相位全息图。
[0016] 附图5为本发明的焦距为50c?的竖向柱透镜与焦距为35c?的横向柱透镜组合成 的可编程正交密接柱透镜的相位全息图。
[0017] 上述附图中的图示标号为： 1空间光调制器、2计算机、3图像传感器 应该理解上述附图只是示意性的，并没有按比例绘制。
【具体实施方式】
[0018] 下面详细说明本发明提出的一种基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统及 变焦方法的实施例，对本发明进行进一步的描述。有必要在此指出的是，以下实施例只用于 本发明做进一步的说明，不能理解为对本发明保护范围的限制，该领域技术熟练人员根据 上述
【发明内容】
对本发明做出一些非本质的改进和调整，仍属于本发明的保护范围。 本发明根据空间光调制器的相位调制原理，由计算机产生不同焦距的竖向柱透镜及横 向柱透镜组合而成的可编程正交密接柱透镜的相位全息图，将相位全息图加载在空间光调 制器上，由空间光调制器来调制入射光，实现数字变焦功能。可编程正交密接柱透镜具有相 位调制的作用，其相伴相位调制为其中，義为竖向柱透镜的焦距，_|纟:为横向柱 透镜的焦距，是入射光的波长，dpJ为笛卡尔坐标。
[0019] 通过在空间光调制器上加载不同焦距的竖向柱透镜及横向柱透镜组合而成的可 编程正交密接柱透镜的相位全息图来实现变焦功能，在空间光调制器上显示的相位全息图 可以由_.:滅乾游劣齋澳计算得到，其中，J为笛卡尔坐标，从可编程柱透镜中 心开始测量，祖辦^^表示取模2,T操作。取模操作是为了使可编程柱透镜在理论上的衍射 效率能够达到，空间光调制器上每一个像素的相位都能在G-以范围内变化，即实现 了数字变焦功能。
[0020] 以下结合附图和【具体实施方式】对本发明作进一步详细说明。
[0021] 如附图2所示，一种基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统，包括空间光调 制器、计算机和图像传感器；所述的图像传感器设置在空间光调制器的右侧；其中空间光 调制器通过传输线与计算机相连，通过计算机控制加载可编程正交密接柱透镜到空间光调 制器上进行变焦。
【主权项】
1. 一种基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统，其特征在于，该系统包括空间光 调制器、计算机和图像传感器；所述的图像传感器设置在空间光调制器的右侧；其中空间 光调制器通过传输线与计算机相连，通过计算机控制加载可编程正交密接柱透镜到空间光 调制器上进行变焦。2. -种基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦方法，其特征在于，该方法包括 步骤：搭建基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统；入射光照射在空间光调制 器上；在空间光调制器上面加载一个可编程正交密接柱透镜，可编程正交密接柱透 镜由两个柱透镜构成，第一个柱透镜竖向放置，称为竖向柱透镜，第二个柱透镜横向 放置，称为横向柱透镜；根据柱透镜的单向相位调制性质，设定竖向柱透镜的焦距为;#,，计算得到竖向柱透镜的相位调制为^ ，横向柱透镜的焦距为.计算得到横向 巧. :城. 柱透镜的相位调制为，其中j是入射光的波长，对日J为笛卡尔坐标，则可编程正 交密接柱透镜的相伴相位调制为:，，将可编程正交密接柱透镜的相位调 制编制成相位全息图并加载在空间光调制器上；通过计算机改变全息图，改变可编程正交 密接柱透镜的焦距，从而实现数字变焦功能；调制后的物光照射到图像传感器上，对获得的 图像进行采集。3. 根据权利要求1和2所述的一种基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统和变 焦方法，其特征在于，所述的空间光调制器为透射式型空间光调制器，所述的图像传感器为 CCD图像传感器。4. 根据权利要求2所述的一种基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦方法，其特征在 于，笛卡尔坐标X、r均从可编程柱透镜中屯、开始测量，相位;龄计算时取模2《操作，可编程 正交密接柱透镜中的竖向柱透镜和横向柱透镜的焦距若巧日馬足窠凝:财，可编程正交 密接柱透镜的焦距r。:漏逆滋:；当數:瓷錢时，可编程正交密接柱透镜分别单独对光进行X 方向和/方向的相位调制，实现对物光的各向异性操作。
【专利摘要】本发明提出一种基于可编程正交密接柱透镜的光学变焦系统及变焦方法。本系统包括空间光调制器、计算机和图像传感器；所述的图像传感器设置在空间光调制器的右侧；其中空间光调制器通过传输线与计算机相连，通过计算机控制加载可编程正交密接柱透镜到空间光调制器上进行变焦。本发明简化了变焦系统的结构，缩小了系统体积，其成本较低，具有一定的应用前景。
【IPC分类】G03H1/12, G02B5/32
【公开号】CN105204313
【申请号】CN201510712268
【发明人】王琼华, 魏溶, 王迪
【申请人】四川大学
【公开日】2015年12月30日
【申请日】2015年10月28日